特許 6024443 冷却装置及びその製造方法並びに電子部品

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6024443

(24)【登録日】2016年10月21日

(45)【発行日】2016年11月16日

(54)【発明の名称】冷却装置及びその製造方法並びに電子部品

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20161107BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/36 D

【請求項の数】5

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-274267(P2012-274267)

(22)【出願日】2012年12月17日

(65)【公開番号】特開2014-120594(P2014-120594A)

(43)【公開日】2014年6月30日

【審査請求日】2015年8月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005223

【氏名又は名称】富士通株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105360

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 光治

(72)【発明者】

【氏名】木村 孝浩

【審査官】 原田 貴志

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−０２９５０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１９１１１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００３９０４６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１６２８２８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発熱体の上方に配置され、貫通孔が形成されたリッドと、
前記貫通孔に挿入され、前記発熱体に熱的に接触させられる冷却ピストンと、
前記冷却ピストンに熱的に接触させられ、前記発熱体で発生した熱であって、前記冷却ピストンを介して伝達される熱と熱交換可能な熱交換ユニットと、
を含み、
前記冷却ピストンは、
前記発熱体の上方に配置される第１のピストンと、
前記第１のピストンの上方に配置され、その上面が前記リッドの上面と同じ高さに配置される第２のピストンと、
前記第１のピストンと前記第２のピストンの間に配置され、前記第１のピストンと前記第２のピストンを連結させると共に、加熱により前記冷却ピストンの高さを変更可能に溶融する連結部材と、
を有することを特徴とする冷却装置。

【請求項2】

前記連結部材は、前記リッドと前記冷却ピストンを接合させていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。

【請求項3】

前記連結部材は、ハンダであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷却装置。

【請求項4】

請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の冷却装置と、
半導体素子が形成されたチップが基板に複数搭載されたマルチチップモジュールと、
を含み、
前記チップを前記基板に接合するハンダの融点より前記連結部材の融点の方が低いことを特徴とする電子装置。

【請求項5】

発熱体の上方に複数の貫通孔を有するリッドを配置する工程と、
複数の前記貫通孔に、第１のピストンと第２のピストンを連結部材で連結させた冷却ピストンを１つずつ挿入する工程と、
前記リッドの位置を固定し、前記冷却ピストンを加熱して前記連結部材を溶融させながら前記第２のピストンを押圧し、全ての前記冷却ピストンの前記第２のピストンの上面と前記リッドの上面を一致させる工程と、
全ての前記冷却ピストンの前記第２のピストンの上面と前記リッドの上面が一致した状態で前記連結部材を凝固させる工程と、
前記発熱体で発生した熱であって、前記冷却ピストンを介して伝達される熱と熱交換可能な熱交換ユニットを前記冷却ピストンの上方に配置する工程と、
を含むことを特徴とする冷却装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却装置及びその製造方法並びに電子部品に関する。

【背景技術】

【0002】

コンピュータには、複数のＣＰＵ（Central Processing Unit）や、メモリなどの電子
部品が１つの基板上に実装されたマルチチップモジュールを有するものがある。このタイプのコンピュータでは、マルチチップモジュールの上に冷却装置を取り付けて、マルチチップモジュール内のチップを冷却している。

【0003】

チップを効率良く冷却するためには、全てのチップを冷却装置に確実に密着させる必要がある。ここで、複数のチップを実装するときには、基板からの各チップの上面までの高さにばらつきが生じ易いので、１つのチップが冷却装置に密着していても他のチップと冷却装置の間に隙間が生じることがあった。このために、従来の冷却装置では、下向きに開口する孔が複数形成されたリッドにピストンを上下方向に摺動可能に収容したモジュールリッドを設け、モジュールリッドの上に水冷コールドプレートを配置している。リッドには、孔内のピストンを下方に付勢するコイルバネが収容されている。この冷却装置では、チップの基板からの高さのばらつきをコイルバネで吸収させることによって、各ピストンをチップに確実に押し当てることが可能になる。

【0004】

ところが、このような冷却装置では、モジュールリッドの構成が複雑になるので小型軽量化には適しない。そこで、従来の冷却装置は、リッドにピストンを挿入する貫通孔を複数設け、貫通孔のそれぞれにピストンを１つずつ予めハンダで固定した構成を有している。

【0005】

複数のピストンを対応するそれぞれのチップに密着させるときには、マルチチップモジュール上にモジュールリッドを位置決めして載置した後、モジュールリッドを加熱してハンダを溶かす。これによって、ピストンが移動可能になるので、各ピストンを１つずつ押圧して下方のチップに密着させる。この状態でモジュールリッドの温度を下げてハンダを凝固させ、各ピストンをチップと密着する高さに固定する。この結果、チップの実装高さのばらつきに応じて各ピストンの上面の位置がピストンごとに変化する。ピストンによっては、その上面がリッドより低い位置に配置されることもあるし、上面がリッドから突出することもある。ピストンがリッドの上面から突出した場合には、ピストンとリッドの間に段差が生じる。この状態でモジュールリッド上に水冷コールドプレートを載置すると水冷コールドプレートに密着するピストンと、密着しないピストンが生じることになるので、マルチチップモジュールの冷却効率が低下する。

【0006】

そこで、全てのピストンの位置を調整してハンダを凝固させたら、モジュールリッドをマルチチップモジュールから一旦取り外し、モジュールリッドの上面を機械加工してピストンとリッドの段差を削って平面に仕上げる。この後、再びモジュールリッドをマルチチップモジュール上に位置決めして搭載させ、モジュールリッド上に水冷コールドプレートを密着させる。このような冷却装置では、モジュールリッドの上面が平坦になるので、モジュールリッドと水冷コールドプレートの密着性が高くなり、冷却効率が向上する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開昭５８−９１６６５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、従来のモジュールリッドは、ピストンの位置を固定した後に機械加工する必要があるので、作業工数が多かった。
また、マルチチップモジュールでは、チップに不具合が生じたときにチップを交換することがある。このような場合、チップを基板に再実装するときにチップの高さが交換前の高さと異なってしまうことがある。ところが、従来の冷却装置では、最初のチップ実装時にピストンを切削加工してしまっているので、チップの高さの変更に対応してピストンの位置を変更することができない。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、チップの冷却部材を簡単な構成で、かつ再利用可能にすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

実施形態の一観点によれば、発熱体の上方に配置され、貫通孔が形成されたリッドと、前記貫通孔に挿入され、前記発熱体に熱的に接触させられる冷却ピストンと、前記冷却ピストンに熱的に接触させられ、前記発熱体で発生した熱であって、前記冷却ピストンを介して伝達される熱と熱交換可能な熱交換ユニットと、を含み、前記冷却ピストンは、前記発熱体の上方に配置される第１のピストンと、前記第１のピストンの上方に配置され、その上面が前記リッドの上面と同じ高さに配置される第２のピストンと、前記第１のピストンと前記第２のピストンの間に配置され、前記第１のピストンと前記第２のピストンを連結させると共に、加熱により前記冷却ピストンの高さを変更可能に溶融する連結部材と、を有することを特徴とする冷却装置が提供される。

【0010】

また、実施形態の別の観点によれば、発熱体の上方に複数の貫通孔を有するリッドを配置する工程と、複数の前記貫通孔に、第１のピストンと第２のピストンを連結部材で連結させた冷却ピストンを１つずつ挿入する工程と、前記リッドの位置を固定し、前記冷却ピストンを加熱して前記連結部材を溶融させながら前記第２のピストンを押圧し、全ての前記冷却ピストンの前記第２のピストンの上面と前記リッドの上面を一致させる工程と、全ての前記冷却ピストンの前記第２のピストンの上面と前記リッドの上面が一致した状態で前記連結部材を凝固させる工程と、前記発熱体で発生した熱であって、前記冷却ピストンを介して伝達される熱と熱交換可能な熱交換ユニットを前記冷却ピストンの上方に配置する工程と、を含むことを特徴とする冷却装置の製造方法が提供される。

【発明の効果】

【0011】

ハンダを溶融させながら第２のピストンを押すことによって冷却ピストンの高さを容易に調整できる。リッドや冷却ピストンの機械加工が不要になるので作業効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電子装置の構成の一例を示す分解斜視図である。

【図2】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る電子装置の冷却装置におけるモジュールリッドの一例の一部を拡大して示す断面図である。

【図3】図３は、本発明の第１の実施の形態に係る電子装置の冷却装置におけるモジュールリッドの一例の平面図である。

【図4】図４は、本発明の第１の実施の形態に係る電子装置の冷却ピストンの初期状態と、冷却ピストン及びリッドの寸法の一例を示す断面図である。

【図5】図５は、本発明の第１の実施の形態に係る電子装置の製造装置の一例であるホットプレス装置の概略構成を示す図である。

【図6A】図６Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る電子装置の冷却装置の製造工程の一例を示す図である（その１）。

【図6B】図６Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る電子装置の冷却装置の製造工程の一例を示す図である（その２）。

【図6C】図６Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る電子装置の冷却装置の製造工程の一例を示す図である（その３）。

【図6D】図６Ｄは、本発明の第１の実施の形態に係る電子装置の冷却装置の製造工程の一例を示す図である（その４）。

【図6E】図６Ｅは、本発明の第１の実施の形態に係る電子装置の冷却装置の製造工程の一例を示す図である（その５）。

【図6F】図６Ｆは、本発明の第１の実施の形態に係る電子装置の冷却装置の製造工程の一例を示す図である（その６）。

【図7A】図７Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る電子装置の冷却装置におけるモジュールリッドの初期状態の一例を拡大して示す断面図である。

【図7B】図７Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る電子装置の冷却装置におけるモジュールリッドの一例の平面図である。

【図8】図８は、本発明の第２の実施の形態に係る電子装置の冷却装置におけるモジュールリッドの一例を示す一部拡大断面図である。

【図9】図９は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る電子装置の冷却装置におけるモジュールリッドの一例の平面図である。

【図10】図１０は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る電子装置の冷却装置におけるモジュールリッドの一例を示し、（ａ）は上側に凹部を有する場合、（ｂ）は下側に凹部を有する場合の一部拡大断面図ある。

【図11】図１１は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る電子装置の冷却装置におけるモジュールリッドの一例を示す一部拡大断面図ある。

【発明を実施するための形態】

【0013】

発明の目的及び利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素及び組み合わせによって実現され達成される。
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、典型例及び説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない。

【0014】

（第１の実施の形態）
最初に、図１に冷却部品を含む電子装置の概略構成を示す。電子装置１は、基板２上に複数のチップ３やその他の電子部品４が実装されたマルチチップモジュール５を有する。さらに、マルチチップモジュール５の上には、複数のチップ３を冷却する冷却装置６が搭載されている。冷却装置６は、各チップ３の上面に１枚ずつ密着させられるシート状の第１の放熱材料（TIM: Thermal Interface Material）７を有する。第１の放熱材料７の上
には、モジュールリッド８が搭載されている。モジュールリッド８の上には、シート状の第２の放熱材料９を介して水冷コールドプレート１０（熱交換ユニット）が配置されている。水冷コールドプレート１０は、不図示の流路が内部に形成されており、流路に冷媒を通流させることによってチップ３で発生した熱を冷却することが可能になっている。ここで、冷却装置６は、冷却コールドプレート１０の代わりに複数の放熱フィンを設けた熱交換ユニットを用いても良い。

【0015】

図２に一部を拡大した断面図を示すように、電子装置１のマルチチップモジュール５は、基板２に形成された電極１１に第１のハンダ１２を介してチップ３が実装されている。チップ３は、例えば、ＢＧＡ（Ball Grid Array）により基板２に電気的に接続されてい
る。

【0016】

モジュールリッド８は、板体に複数の貫通孔２１が形成されたリッド２０を有する。複数の貫通孔２１は、マルチチップモジュール５のチップ３の数及び配置に合わせて形成さ
れており、その各々に冷却ピストン２２が１つずつ収容されている。モジュールリッド８のリッド２０及び冷却ピストン２２は、熱伝導性が良好な材料、例えば銅やアルミを用いて製造されている。図３にモジュールリッド８の平面図を示すように、貫通孔２１は、平面視における形状が正方形になっており、冷却ピストン２２が１つずつ貫通孔２１に沿って上下に移動可能に挿入されている。また、冷却ピストン２２の平面視における形状も正方形になっているが、冷却ピストン２２の一辺の長さは、貫通孔２１の一辺の長さより小さくなっており、貫通孔２１と冷却ピストン２２との間には、隙間２３が形成されている。

【0017】

ここで、冷却ピストン２２の構成について、図２と、図４のモジュールリッド８の一部を拡大した断面図を参照して説明する。図２は、冷却ピストン２２の高さを調整した後の状態を示し、図４は冷却ピストン２２の高さを調整する前の初期状態における冷却ピストン２２の配置を示している。冷却ピストン２２は、下側の第１のピストン３１と、上側の第２のピストン３２が連結部材である第２のハンダ３３を介して上下に連結された構成を有する。第１及び第２のピストン３１，３２は同じ大きさの直方体に製造されている。また、図４に示す初期状態では、第２のハンダ３３は、第１及び第２のピストン３１，３２の外形と略等しい外形になっており、冷却ピストン２２の側方には突出していない。一方、図２に示すように、高さ調整後の冷却ピストン２２では、第２のハンダ３３の一部が貫通孔２１と冷却ピストン２２の間の隙間２３にはみ出した状態で凝固している。

【0018】

第２のハンダ３３は、マルチチップモジュール５の基板２とチップ３の接合に使用される第１のハンダ１２より融点が低い材料が用いられている。例えば、第１のハンダ１２には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の融点が２２０℃程度のハンダ材料が用いられている。この場合、第２のハンダ３３は、例えば、Ｓｎ−５８Ｂｉ（融点１３８℃）などのＳｎ−Ｂｉ系や、Ｓｎ−９Ｚｎ（融点１９９℃）などのＳｎ−Ｚｎ系が使用される。ここで、連結部材は、熱伝導性が良好で、加熱によって溶融して冷却ピストン２２の高さを調整させる機能と、冷却ピストン２２をリッド８に固定する機能とを有すれば良く、ハンダに限定されない。

【0019】

次に、図５を参照して電子装置１の製造装置であるホットプレス機４０の一例について説明する。ホットプレス機４０は、基板２を位置決めして載置する固定定盤４１を有する。固定定盤４１内には、ヒータ４２が埋設されると共に、温度管理用のセンサ４３が取り付けられており、基板２を所望の温度まで加熱できるようになっている。さらに、固定定盤４１には、一対のガイドポスト４４が平行に立てられている。各ガイドポスト４４には、下側から順番に一対の第１のスライダ４５と、一対の第２のスライダ４６とが独立に昇降可能に取り付けられており、上端には加圧機構４７が固定されている。第１のスライダ４５には、不図示の昇降機能が内蔵されており、モジュールリッド８を把持するハンド５１が１つずつ取り付けられている。第２のスライダ４６には、可動定盤５２が固定されている。可動定盤５２は、内部にヒータ５３が埋設されており、下面には押圧部材５４が取り付けられている。押圧部材５４には、温度管理用のセンサ５５が固定されている。加圧機構４７は、ボールネジ機構を有し、ボールネジ５６が鉛直下向きに延び、可動定盤５２に固定されている。

【0020】

さらに、ホットプレス機４０は、位置制御部６１と、温度調整部６２と、押圧制御部６３を有する。位置制御部６１は、第１のスライダ４５に接続されており、第１のスライダ４５の上下位置を制御可能になっている。また、温度調整部６２には、上下の定盤４１、５２内のそれぞれのヒータ４２、５３と、センサ４３、５５が接続されており、各ヒータ４２、５３の温度を独立に調整可能になっている。さらに、押圧制御部６３は、加圧機構４７に接続されており、押圧部材５４の位置制御と、押圧力を調整する。

【0021】

次に、冷却装置６の製造方法を含む電子装置１の製造方法について説明する。
最初に、図５に示すホットプレス機４０の固定定盤４１の上に基板２を載置する。さらに、基板２上の所定位置に複数のチップ３を搭載する。具体的には、図２に示す基板２上の電極１１にチップ３に取り付けた第１のバンプ１２を載置する。

【0022】

続いて、ホットプレス機４０の温度調整部６２が下側のヒータ４２を発熱させ、基板２を第１の温度まで加熱し、基板２上の第１のハンダ１２を溶かす。これによって、基板２と複数のチップ３が電気的に接続される。この後、ヒータ４２による加熱を停止して第１のハンダ１２を冷却して凝固させる。

【0023】

さらに、図６Ａに示すように、各チップ３の上に第１の放熱材料７を載せた後、基板２の上方にリッド２０を配置する。このとき、図５に示すように、リッド２０は、第１のスライダ４５の一対のハンド５１に支持させる。位置制御部６１によって、リッド２０は、貫通孔２１が第１の放熱材料７の上方に１つずつ配置されるように位置決めされる。リッド２０と基板２の間の距離も予め設定された所定値に制御される。

【0024】

続いて、図６Ｂに示すように、リッド２０の複数の貫通孔２１に冷却ピストン２２を１つずつ挿入する。冷却ピストン２２は、２つのピストン３１，３２が第２のハンダ３３で接合された状態でリッド２０の貫通孔２１内に挿入される。貫通孔２１と冷却ピストン２２の間には隙間２３があるので、冷却ピストン２２は、貫通孔２１内を落下し、その下面が第１の放熱材料７に密着させられる。これによって、冷却ピストン２２の第１のピストン３１が発熱体であるチップ３に第１の放熱材料７を介して熱的に密着させられる。この段階では、第２のハンダ３３は、凝固しているので、貫通孔２１と冷却ピストン２２の隙間２３に流出しない。

【0025】

この後、図６Ｃに示すように、位置制御部６１が第１のスライダ４５を下降させ、リッド２０を基板２に向けて降下させる。この段階で冷却ピストン２２はリッド２０に固定されていないので、冷却ピストン２２の位置は変化せずに、リッド２０の高さのみが下がる。このとき、位置制御部６１は、全ての冷却ピストン２２の上部がリッド２０の上面２０Ａから突出するまでリッド２０を降下させる。

【0026】

続いて、図６Ｄに示すように、押圧部材５４をリッド２０の上面２０Ａから突出する冷却ピストン２２の上面３２Ａに当接させる。具体的には、図５に示す押圧制御部６３がボールネジ５６を回転させて第２のスライダ４６ごと可動定盤５２を降下させ、押圧部材５４をリッド２０の上面２０Ａから突出する冷却ピストン２２の上面３２Ａに当接させる。さらに、この状態で、温度調整部６２でヒータ５３を発熱させ、冷却ピストン２２を加熱する。温度調整部６２は、冷却ピストン２２の第２のハンダ３３を第２の温度まで上昇させ、第２のハンダ３３を溶融させる。

【0027】

第２のハンダ３３が溶けることによって、第１のピストン３１に対して第２のピストン３２が移動可能になる。ここで、第２の温度は、第１の温度より低いので、チップ３と基板２を接合している第１のハンダ１２が溶けることはない。

【0028】

この状態で押圧部材５４を介して所定の圧力で冷却ピストン２２をさらに押す。図６Ｅに示すように、リッド２０の上面２０Ａから突出している第２のピストン３２が押圧部材５４によって押し下げられ、２つのピストン３１，３２の間で溶融状態になっている第２のハンダ３３が冷却ピストン２２と貫通孔２１の隙間２３に流出する。その結果、第２のハンダ２２の高さが低くなり、押圧部材５４によって下向きに押されている第２のピストン３２の位置が下降する。第１のピストン３１は、第１の放熱材料７を介してチップ３に当接しており移動しないので、２つのピストン３１，３２の間の距離が初期状態に比べて
小さくなり、冷却ピストン２２の高さが低くなる。

【0029】

そして、押圧部材５４がリッド２０の上面２０Ａに接するまで可動定盤５２を降下させると、リッド２０の上面２０Ａから突出していた全ての冷却ピストン２２が、リッド２０の上面２０Ａと一致する高さまで押し下げられる。この状態でヒータ５３による加熱を停止すると、第２のハンダ３３が凝固し、冷却ピストン２２の高さ方向の位置が調整された状態で固定される。さらに、各冷却ピストン２２から流出した第２のハンダ３３によって全ての冷却ピストン２２とリッド２０が固定される。

【0030】

第２のハンダ３３が凝固したら、可動定盤５２を上昇させる。図６Ｆに示すように、冷却ピストン２２がチップ３に密着させられた状態でリッド２０に固定され、かつ冷却ピストン２２の上面３２Ａがリッド２０の上面２０Ａと略一致するモジュールリッド８が完成する。この後、マルチチップモジュール５とモジュールリッド８をホットプレス機４０から取り出す。続いて、図２に示すように、モジュールリッド８の上面に第２の放熱材料９を載せてから水冷コールドプレート１０を取り付ける。これによって、これによって、水冷コールドプレート１０に冷却ピストン２２の第２のピストン３２が第２の放熱材料９を介して熱的に密着させられ、冷却装置６が完成する。そして、冷却ピストン２２を介して、チップ３と水冷コールドプレート１０が熱交換可能に密着させられた電子装置１が完成する。

【0031】

この電子装置１では、チップ３で発生した熱が第１の放熱材料７を介して冷却ピストン２２に伝達される。冷却ピストン２２内では下側の第１のピストン３１から第２のハンダ３３を介して第２のピストン３２に熱が伝達される。さらに、第２のピストン３２から第２の放熱材料９を介して水冷コールドプレート１０に熱が伝達される。この熱が水冷コールドプレート１０内を流れる冷媒と熱交換することによって冷却される。

【0032】

ここで、図４に示す初期状態では、第２のハンダ３３の厚さＨ３は、図２に示す取り付け作業後の第２のハンダ３３の厚さより小さい。これは、マルチチップモジュール５への取り付け時に、第２のハンダ３３の一部が貫通孔２１と冷却ピストン２２の間の隙間２３にはみ出した状態で凝固しているためである。

【0033】

モジュールリッド７は、チップ３を実装したときの基板２からチップ３の上面までの高さのばらつきの最大値をＸとしたときに、ばらつきの最大値Ｘを吸収できるように構成されている。このために、第２のハンダ３３の厚さＨ３は、ばらつきの最大値Ｘの２倍にするなど、ばらつきの最大値Ｘより大きくなっている

【0034】

さらに、リッド２０の貫通孔２１と、冷却ピストン２２の間には、溶融した第２のハンダ３３を受け入れるための隙間２３が形成されている。しかしながら、隙間２３が大きすぎると、冷却ピストン２２の位置がずれ易くなるので、チップ３と冷却ピストン２２の熱的な接触面積が減少してチップ３の冷却効率が低下し易くなる。また、溶融した第２のハンダ３３が隙間２３から基板２側に滴下してしまうと、配線ショートの原因になることがある。さらに、溶融した第２のハンダ３３がリッド２０の上面２０Ａに溢れ出ると、モジュールリッド８の上面の平面度が低下してしまい、リッド２０と水冷コールドプレート１０との密着性が悪くなって冷却性能が低下してしまう。

【0035】

そこで、以下に、第２のピストン３２がリッド２０の上面２０Ａと一致する高さまで押し下げられたときに第２のハンダ３３がリッド２０の上下面２０Ａ，２０Ｂのいずれからも漏れ出ないような貫通孔２１の一辺の長さを検討する。まず、図４に示すように、第１及び第２のピストン３１，３２の幅及び奥行き（一辺の長さ）を共にＰＤ、高さをそれぞれＨ１、Ｈ２とし、第２のハンダ３３の厚さをＨ３とする。第１のピストン３１の高さＨ
１と第２のピストン３２の高さＨ２は同じでも良いし、異なっても良い。また、リッド２０の貫通孔２１の幅及び奥行き（一辺の長さ）をＨＤ、リッド２０の高さをＲＴとする。

【0036】

第２のハンダ３３がリッド２０の上下面２０Ａ，２０Ｂのいずれからも漏れ出ないということは、第２のハンダ３３の体積（ＰＤ^２×Ｈ３）が、リッド２０の貫通孔２１の体積（ＨＤ^２×ＲＴ）から２つのピストン３１，３２の体積の和（ＰＤ^２×（Ｈ１＋Ｈ２））を引いた値以下であれば良いことになる。即ち、
（ＨＤ^２×ＲＴ）−（ＰＤ^２×（Ｈ１＋Ｈ２））≧（ＰＤ^２×Ｈ３）
が成り立てば良い。このときの貫通孔２１の一辺の長さＨＤは、
ＨＤ≧（ＰＤ^２×（Ｈ１＋Ｈ２＋Ｈ３）／ＲＴ）^０．５
となる。即ち、ＨＤが（ＰＤ^２×（Ｈ１＋Ｈ２＋Ｈ３）／ＲＴ）^０．５以上の長さを有していれば、第２のハンダ３３がリッド２０の上下面２０Ａ，２０Ｂのいずれからも漏れ出ることなく、冷却ピストン２２の位置を調整できる。

【0037】

以上、説明したように、この実施の形態では、冷却装置６のモジュールリッド８として、貫通孔２１内で移動可能な冷却ピストン２２を用い、連結部材である第２のハンダ３３の溶融を利用することによって冷却ピストン２２の高さを調整可能にした。これによって、モジュールリッド８を上方から押圧することによって、冷却ピストン２２の高さとリッド２０の高さを容易に一致させることが可能になる。さらに、リッド２０や冷却ピストン２２の上面３２Ａを機械加工することによって平坦にする工程が不要になるので、作業効率が向上する。また、チップ３から冷却ピストン２２を介して水冷コールドプレート１０に至る熱伝達経路を確保できるので、熱ロスを低減でき、チップ３を効率良く冷却できる。

【0038】

また、この実施の形態では、第２のハンダ３３を溶融させれば、冷却ピストン２２をリッド２０から取り外せるので、チップ３を交換して基板２からの高さが変化した場合でも同じモジュールリッド８を利用して冷却装置６を再構築することができる。

【0039】

さらに、この実施の形態では、冷却ピストン２２を独立した２つのピストン３１，３２を第２のハンダ３３で連結させた構成にしたので、第２のハンダ３３を溶融させた場合でも、溶けた第２のハンダ３３がリッド２０の下面２０Ｂや上面２０Ａに飛び出し難い。さらに、貫通孔２１と冷却ピストン２２の隙間２３をＨＤ≧（ＰＤ^２×（Ｈ１＋Ｈ２＋Ｈ３）／ＲＴ）^０．５と満たす値にすることによって、第２のハンダ３３がリッド２０の下面２０Ｂや上面２０Ａに溢れ出すことを確実に防止できる。ここで、隙間２３の上限値は、隙間２３が大きくなることによって冷却ピストン２２の位置がずれた場合でも、冷却ピストン２２とチップ３の熱的な接触面積がチップ３の冷却に十分な大きさになる程度であれば良い。

【0040】

また、冷却ピストン２２の高さ調整時には、リッド２０から冷却ピストン２２の頭部を突出させた状態で加熱と押圧を行えば良いので、製造工程が容易である。また、第２のハンダ３３の一部が隙間２３に充填されるので、第２のハンダ３３を再凝固させるだけで、２つのピストン３１，３３とリッド２０のそれぞれの固定が可能になる。
ここで、ピストンは直法体でなくても良い。貫通孔の平面視における形状は正方形に限定されない。

【0041】

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付してある。また、第１の実施の形態と重複する説明は省略する。
チップ３を基板２に実装したときの高さのばらつきの最大値Ｘが正確に判明しない場合などには、第２のハンダ３３の厚さＨ３を大きく設定する必要がある。しかしながら、リ
ッド２０の厚さＲＴが同じ場合には、貫通孔２１と冷却ピストン２２の隙間２３が大きくなるので、冷却ピストン２２の位置ずれが生じ易くなる。また、ばらつきの最大値Ｘが既知の場合でも、冷却ピストン２２の位置ずれをさらに低減させる観点からは、貫通孔２１と冷却ピストン２２の隙間２３をより小さくすることが好ましい。この実施の形態は、このような観点に基づいてなされたものである。

【0042】

図７Ａに示すように、リッド２０は、貫通孔２１の上端部に第２のハンダ３３を溜め置きできる凹部７１が形成されている。同様に、貫通孔２１の下端部には、第２のハンダ３３を溜め置きできる凹部７２が形成されている。図７Ｂに平面図を示すように、凹部７１，７２の長さは、１片の長さＨＤに等しい。ここで、リッド２０の貫通孔２１や、冷却ピストン２２の形状やサイズは、第１の実施の形態と同様である。例えば、貫通孔２１の１辺の長さＨＤは、ＨＤ≧（ＰＤ^２×（Ｈ１＋Ｈ２＋Ｈ３）／ＲＴ）^０．５になっている。また、凹部７１，７２による体積の増加分を越えない範囲で、貫通孔２１の１辺の長さＨＤを短くしても良い。

【0043】

このモジュールリッド８において、第２のハンダ３３を溶融させなら第２のピストン３２を押圧して下降させると、図８に示すように、溶融した第２のハンダ３３が隙間２３に溢れ出す。そして、第２のハンダ３３の一部は、凹部７１，７２に入り込む。凹部７１，７２は、隙間２３の寸法を大きくするように拡幅されているので、第２のハンダ３３はリッド２０の下面２０Ｂや上面２０Ａに到達しない。これによって、チップ３の実装高さのばらつきの最大値Ｘが不明の場合であっても、冷却ピストン２２のモジュールリッド８の上面の機械加工が確実に不要になる。同様に、第２のハンダ３３が基板２上に落ちて配線ショートを生じなくなる。また、凹部７１，７２を有することによって、他の領域における貫通孔２１と冷却ピストン２２の間の隙間２３を狭くすることが可能になるので、冷却ピストン２２の位置ずれを防止し、チップ３の熱を水冷コールドプレート１０に確実に伝達できるようになる。

【0044】

ここで、凹部７１，７２は、第２のハンダ３３を溜め置き可能に貫通孔２１を拡げる形状であれば良く、長さや高さは限定されない。例えば、図９に示すように、貫通孔２１の片の一部のみを広げるように凹部７１，７２を形成しても良い。

【0045】

また、図１０に変形例を示すように、上側のみの凹部７１を形成しても良い。同様に、図１１に示すように、下側のみの凹部７２を形成しても良い。さらに、凹部７１，７２は、貫通孔２１の４つの辺のうちの１つのみに形成しても良いし、２つの辺又は３つの辺に１つずつ形成しても良い。
そして、図１２に示すようにリッドの高さ方向の中間部分に凹部を形成したりしても良い。

【0046】

ここで挙げた全ての例及び条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明及び概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例及び条件に限定することなく解釈するものであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換及び変形を施すことができる。

【0047】

以下に、前記の実施の形態の特徴を付記する。
（付記１） 発熱体の上方に配置され、貫通孔が形成されたリッドと、前記貫通孔に挿入され、前記発熱体に熱的に接触させられる冷却ピストンと、前記冷却ピストンに熱的に接触させられ、前記発熱体で発生した熱であって、前記冷却ピストンを介して伝達される熱と熱交換可
能な熱交換ユニットと、を含み、前記冷却ピストンは、前記発熱体の上方に配置される第１のピストンと、前記第１のピストンの上方に配置され、その上面が前記リッドの上面と同じ高さに配置される第２のピストンと、前記第１のピストンと前記第２のピストンの間に配置され、前記第１のピストンと前記第２のピストンを連結させると共に、加熱により前記冷却ピストンの高さを変更可能に溶融する連結部材と、を有することを特徴とする冷却装置。
（付記２） 前記連結部材は、前記リッドと前記冷却ピストンを接合させていることを特徴とする付記１に記載の冷却装置。
（付記３） 前記冷却ピストンと前記リッドの前記貫通孔は隙間を有し、前記隙間の体積は、前記連結部材の体積以上であることを特徴とする付記１又は付記２に記載の冷却装置。
（付記４） 前記連結部材は、ハンダであることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか一項に記載の冷却装置。
（付記５） 前記貫通孔の少なくとも一部に前記隙間の体積を増大させる凹部が形成されていることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか一項に記載の冷却装置。
（付記６） 付記１乃至付記５のいずれか一項に記載の冷却装置と、半導体素子が形成されたチップが基板に複数搭載されたマルチチップモジュールと、を含み、前記チップを前記基板に接合するハンダの融点より前記連結部材の融点の方が低いことを特徴とする電子装置。
（付記７） 発熱体の上方に複数の貫通孔を有するリッドを配置する工程と、複数の前記貫通孔に、第１のピストンと第２のピストンを連結部材で連結させた冷却ピストンを１つずつ挿入する工程と、前記リッドの位置を固定し、前記冷却ピストンを加熱して前記連結部材を溶融させながら前記第２のピストンを押圧し、全ての前記冷却ピストンの前記第２のピストンの上面と前記リッドの上面を一致させる工程と、全ての前記冷却ピストンの前記第２のピストンの上面と前記リッドの上面が一致した状態で前記連結部材を凝固させる工程と、前記発熱体で発生した熱であって、前記冷却ピストンを介して伝達される熱と熱交換可能な熱交換ユニットを前記冷却ピストンの上方に配置する工程と、を含むことを特徴とする冷却装置の製造方法。
（付記８） 前記リッドを降下させ、全ての前記第２のピストンの上端を前記リッドの上面から突出させる工程を含むことを特徴とする付記７に記載の冷却装置の製造方法。
（付記９） 全ての前記冷却ピストンの前記第２のピストンの上面と前記リッドの上面を一致させる工程は、前記第２のピストンを加熱して前記連結部材を溶融させながら押圧することによって、前記連結部材を前記冷却ピストンと前記貫通孔の隙間に、前記リッドの上面及び下面から前記連結部材が溢れ出ない範囲内で流出させることを含むことを特徴とする付記６又は付記７に記載の冷却装置の製造方法。
（付記１０） 付記７乃至付記９のいずれか一項に記載の冷却装置の製造方法と、半導体素子が形成された発熱体であるチップを基板にハンダバンプを用いて接合する工程と、を含み、前記冷却ピストンの前記連結部材を溶融させる工程は、前記冷却ピストンの前記連結部材を前記ハンダバンプの融点より低い温度で溶融させる工程を含むことを特徴とする電子装置の製造方法。

【符号の説明】

【0048】

１ 電子装置
２ 基板
３ チップ（発熱体）
４ 電子部品（発熱体）
５ マルチチップモジュール
６ 冷却装置
１２ 第１のハンダ（ハンダバンプ）
２０ リッド
２０Ａ 上面
１０ 水冷コールドプレート（熱交換ユニット）
２１ 貫通孔
２２ 冷却ピストン
２３ 隙間
３１ 第１のピストン
３２ 第２のピストン
３２Ａ 上面
３３ 第２のハンダ（連結部材）
７１，７２，７５ 凹部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図6E】

【図6F】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】